JP2017227428A - 蒸発器と蒸発器の除霜方法とその蒸発器を用いた冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】霜取りヒータの熱を蒸発器上部に伝え蒸発器全体を昇温し、除霜運転の消費電力を削減するための装置構成、及び除霜方法を提供すること【解決手段】蒸発器出口を閉じる第１工程と、上記蒸発器入口を閉じる第２工程と、上記蒸発器出口と上記蒸発器入口とを連結する第３工程と、上記蒸発器を加熱する第４工程と、を含む蒸発器の除霜方法を用いる。冷媒の入口である入口部と、上記入口部に配置された切換弁と、上記冷媒の出口である出口部と、上記出口部に配置された切換弁と、上記入口部と上記出口部とを連結するバイパス経路と、上記入口部と連結する水平配管と、上記水平配管と上記出口部とを連結する垂直配管と、を含む、蒸発器を用いる。冷媒を圧縮する圧縮機と、凝縮器と、減圧器と、上記蒸発器と、上記蒸発器を加熱する加熱器と、を含む冷却装置を用いる。【選択図】図２

Description

本発明は、蒸発器と蒸発器の除霜方法とその蒸発器を用いた冷却装置とに関する。特に、冷蔵庫と冷蔵庫の蒸発器と蒸発器の除霜方法とに関する。

従来のヒータを活用した冷蔵庫の除霜方法としては、圧縮機を運転した状態で、蒸発器に冷媒が流入するのを防ぐための流入防止弁を閉じ、蒸発器内の冷媒を強制的に減少させる。この状態で、霜取りヒータの発熱にて除霜を行う方法がある（例えば、特許文献１参照）。

図５は、特許文献１に記載された従来の冷蔵庫の除霜方法を示す冷却サイクル配管図である。

図５において、冷却サイクル配管として、圧縮機１０１、凝縮器１０２、ドライヤ１０３、減圧器１０４（キャピラリチューブ）、蒸発器１０５、霜取りヒータ１０６がある。凝縮器１０２とドライヤ１０３の間に流入防止弁１０７が設置されている。圧縮機１０１を運転した状態で、流入防止弁１０７を閉じ、蒸発器１０５内の冷媒を強制的に減少させる。この状態で、霜取りヒータ１０６の発熱にて除霜を行う。このことにより、霜取りヒータ１０６の熱が蒸発器１０５内の冷媒の気化熱に使用されず、除霜ができる。

特開平１０−３８４５３号公報

しかしながら、従来の構成では、除霜時に蒸発器１０５内より冷媒が減少するため、冷媒による均熱化の効果が悪くなる。そして、蒸発器１０５上部の昇温遅れや、霜が多く付着している箇所の昇温不足など、温度バラつきが発生する。結果、蒸発器１０５全体の除霜が完了するまでの時間は、結果的に長くなり、冷却庫内が温まり、再び冷却するために電力を要する。

加えて除霜時間も長くなるため、霜取りヒータ１０６の通電時間も長くなりヒータの消費電力も増加する。また温度バラつきのため部分的に霜が残った状態で除霜が終了し、除霜終了後の冷却負荷が増大するといった課題を有している。

本発明は、従来の課題を解決するもので、霜取りヒータの熱を無駄なく蒸発器上部に伝え、蒸発器全体を昇温し、消費電力を削減する蒸発器と蒸発器の除霜方法とその蒸発器を用いた冷却装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、蒸発器出口を閉じる第１工程と、上記蒸発器入口を閉じる第２工程と、上記蒸発器出口と上記蒸発器入口とを連結する第３工程と、上記蒸発器を加熱する第４工程と、を含む蒸発器の除霜方法を用いる。 冷媒の入口である入口部と、上記入口部に配置された切換弁と、上記冷媒の出口である出口部と、上記出口部に配置された切換弁と、上記入口部と上記出口部とを連結するバイパス経路と、上記入口部と連結する水平配管と、上記水平配管と上記出口部とを連結する垂直配管と、を含む、蒸発器を用いる。

冷媒を圧縮する圧縮機と、凝縮器と、減圧器と、上記蒸発器と、上記蒸発器を加熱する加熱器と、を含む冷却装置を用いる。

本発明の蒸発器の除霜方法によれば、霜取りヒータの熱を無駄なく蒸発器上部に伝え、蒸発器全体のバラつきを抑えて昇温することが出来、除霜時の消費電力を削減することができる。

本発明の実施の形態１における冷却サイクルの配管図 （ａ）本発明の実施の形態１における蒸発器部の冷却運転時の流路切換弁の状態を示す正面配管断面図、（ｂ）本発明の実施の形態１における蒸発器部の除霜初期の流路切換弁の状態を示す断面図、（ｃ）本発明の実施の形態１における蒸発器部の除霜時の流路切換弁の状態を示す断面図 （ａ）本発明の実施の形態２における蒸発器部の正面配管断面図、（ｂ）本発明の実施の形態２における蒸発器部の戻り垂直配管前の水平配管の断面図 （ａ）実施の形態３における蒸発器部の最下段の配管とヒータの断面図、（ｂ）実施の形態３における蒸発器部の前から３列目の正面配管断面図 特許文献１に記載された従来の冷蔵庫の除霜方法を示す冷却サイクル配管図

以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における冷却装置の冷却サイクルの配管とその構成部品を表した図である。

冷却装置の冷却サイクルの配管は、圧縮機１、凝縮器２、ドライヤ３、減圧器４（キャピラリチューブ）、蒸発器５、霜取りヒータ６（加熱器）を有する。

圧縮機１は、低温低圧の冷媒（気体）を圧縮し、高温高圧にするものである。

凝縮器２は、熱交換器であり、高温高圧の気体冷媒を凝縮させ、周囲に熱を放出するものである。

ドライヤ３は、冷却サイクル中の水分を吸収するものである。ドライヤ３は、必須でなく、無くともよい、あれば好ましい。

減圧器４は、高温高圧の液冷媒の圧力を下げ、低温低圧にするものである。

蒸発器５は、熱交換器であり、低温低圧の気液混層冷媒を蒸発させ、周囲から熱を奪うものである。

霜取りヒータ６は、加熱器であり、蒸発器５を加熱するものである。霜取りヒータ６はあれば好ましい。

上記のように構成された冷却サイクルを冷却運転させ、蒸発器５にて作られた冷気を、ファンを用いて冷却装置内を循環させることにより食品を冷凍・冷却保存する。

その際、蒸発器５は連続使用すると、水分は霜として蒸発器５に付着し、この霜が成長するに従って蒸発器５の熱交換性能が低下する。この熱交換性能の低下をリセットするため一時的に冷却運転を停め（＝圧縮機１停止）、霜取りヒータ６に通電し、蒸発器５を加熱することで霜取りを行う。この一連の動作を除霜運転という。この除霜運転時は蒸発器５内の液冷媒も気化させている。

＜蒸発器５の構造＞
図２（ａ）〜図２（ｃ）は、実施の形態１における蒸発器５を正面から見た配管断面図である。蒸発器５は、水平配管１２ａと垂直配管１１とを有する。

水平配管１２ａは、１本の配管を上下方向に１０段、端部で蛇行させたものである。水平配管１２ａは、前後方向に３列配列されている。
３列のつながりは、入口７ａから、１列目で上から下、２列目で下から上、３列目で上から下、出口８ａへ繋がっている。つまり、１本の道である。

垂直配管１１は、下段の水平配管１２ａの端部を出口８ａへ直線状で繋ぐもの配管である。

水平配管１２ａと垂直配管１１とには、熱交換促進用のフィン１０が取り付けられている。

結果、蒸発器５は、フィン１０とチューブとからなる方式の熱交換器である。図２（ａ）〜図２（ｃ）では、フィン１０を簡略化して表記している。

なお、水平配管１２ａの内、垂直配管１１と接続される直前の一番下段の水平配管１２ａを、下部の水平配管１２ｂとする。

また、蒸発器５には、入口側流路の切換弁７、出口側流路の切換弁８、蒸発器５の入口７ａと出口８ｂを繋ぐバイパス経路９、蒸発器出口へ向かう戻り垂直配管１１、戻り垂直配管の前の下部の水平配管１２ｂがある。

＜プロセス＞
図２（ａ）は、通常の冷却運転時の入口側流路の切換弁７、出口側流路の切換弁８の状態を示した図である。気液の２相の冷媒が蒸発器５の入口７ａより入り、蒸発器５内で蒸発し、周囲の熱を奪い気化した冷媒は蒸発器５の出口８ａより出て行く。

（１）第１工程
図２（ｂ）は、除霜運転開始時の蒸発器５の入口側流路の切換弁７、出口側流路の切換弁８の状態を表した図である。圧縮機１の停止と同時に出口側流路の切換弁８を閉じ、バイパス経路９を開ける。このことにより、蒸発器５の下部に圧力差で流入してくる冷媒を溜めている。入口側流路の切換弁７よりも先に出口側流路の切換弁８を切り換えることにより、出来るだけ多くの冷媒を蒸発器５内に溜めることができる。

（２）第２工程
圧縮機１を停止し、冷却サイクル内の圧力差（蒸発器の入口７ａ部分での配管内の圧力差）が縮まり、蒸発器５への冷媒の流入が緩やかになった後、図２（ｃ）に示すように入口側流路の切換弁７を閉じる。

ここで圧力差は、冷却運転中の圧力差である。高圧側は、圧縮機１後、減圧器４前の配管での圧力、または、凝縮器２の前後配管での圧力である。低圧側は、減圧器４後、圧縮機１前の配管の圧力、または、蒸発器５の前後配管での圧力である。上記圧力差は、高圧側と低圧側の圧力差である。

（３）第３工程
バイパス経路９を開ける。このことにより、蒸発器５の内の配管のみの閉じた回路となり、気液が循環する。この結果、蒸発器５の出口と蒸発器５の入口とが直接連結される。

（４）第４工程
冷媒を、蒸発器５内で循環させるため、霜取りヒータ６に通電させ、蒸発器５の加熱を開始する。

＜効果＞
かかる構成と弁の制御によれば、除霜運転時に蒸発器５下部に液状態で溜まった冷媒が、霜取りヒータ６の熱により気化し、バイパス経路９により蒸発器５上部に移動する。

このことで、蒸発器５の上部を冷媒の凝縮潜熱で加熱することができる。そして、蒸発器５上部で凝縮し液化した冷媒は、再び蒸発器５下部に溜り、再度霜取りヒータ６により加熱、気化されて蒸発器５上部に移動する。

蒸発器５の配管を閉じた流路にすることで、上記のように蒸発器５内で冷媒が循環し、冷媒の気化に用いた霜取りヒータ６の熱を無駄にすることがなく、かつ従来加熱することが困難であった蒸発器５上部を冷媒の凝縮潜熱で加熱することができる。

なお、本実施の形態１では、圧縮機１の停止後に霜取りヒータ６を通電させたが、霜取りヒータ６のカバーや構成、蒸発器５の周囲温度状態によっては、圧縮機１の停止よりも先に霜取りヒータ６を通電させても良い。

（実施の形態２）
図３（ａ）は、本発明の実施の形態２の蒸発器５を正面から見た配管断面図である。実施の形態１との違いは、垂直配管１１前の下部の水平配管１２ｂの構造である。図３（ａ）において、図１および図２（ａ）〜図２（ｃ）と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。記載しない部分は、実施の形態１と同様である。

蒸発器５は、フィン１０＆チューブ方式の上下方向に１０段、前後方向に１３列の熱交換器で、図３（ａ）ではフィン１０を簡略化して表記している。

蒸発器５の出口へ向かう戻り垂直配管１１は、蒸発器５の水平配管１２ａよりも断面積が２０％程度大きくなるように、垂直配管１１の内径は、水平配管１２ａの内径より太く構成されている。
下部の水平配管１２ｂは、水平配管１２ａと異なり、戻り垂直配管１１側が水平方向に対して、約２度高くなるように傾斜している。なお、水平配管１２ａの直線部は、水平方向と平行である。

なお、本実施の形態２では戻り垂直配管１１の断面積を水平配管１２ａの＋２０％としたが、流れる冷媒や配管径によってはこの限りではなく、水平配管１２ａに対して、１０％程度太くするだけでも戻り垂直配管１１側への流路抵抗が減り効果はある。

なお、本実施の形態２では、下部の水平配管１２ｂは、垂直配管１１側が水平方向に対して、約２度高くなるように傾斜させたが、１度以上、５度以下の範囲で傾斜させても効果を得ることが出来る。傾斜角度が、５度を超えると、下部の水平配管１２ｂとの干渉し不可である。傾斜角度が１度より小さくなると、冷却媒体が循環する効率が悪くなる。

また、図３（ｂ）は、垂直配管１１と、下部の水平配管１２ｂでの断面図で、戻り垂直配管１１と下部の水平配管１２ｂの内面には微小な溝形状が形成されている。

上部の水平配管１２ａにも、微小な溝形状が形成されていてもよい。特に、垂直配管１１と、下部の水平配管１２ｂとのみに、微小な溝形状が形成されているのが好ましい。
また、戻り垂直配管１１と、下部の水平配管１２ｂとのどちらか１方に、微小な溝形状が形成されていてもよい。

微小溝形状とは、断面積が小さい通路であり、断面は四角や台形でもよい。長手方向に直線溝や銃身の螺旋溝のようなものである。ヒートパイプの内壁のウィック（毛細管構造の芯）のような構造でもよい、同様の効果が得られる。

＜効果＞
かかる構成によれば、下部の水平配管１２ｂは、出口８ａ側に向かって高くなるように傾斜している。また、垂直配管１１は、水平配管１１ａに比べ太くなっている。さらに、垂直配管１１と下部の水平配管１２ｂとは、配管内面に微小な溝形状を形成している。

これらのことで、表面張力により液冷媒が配管壁面に沿うようになり、除霜運転時に蒸発器５下部で霜取りヒータ６の熱により気化した冷媒と、気化する前の液冷媒がスムーズにすれ違うことができる。

つまり、気化した冷媒が液冷媒に阻害されることがなく、効率的に蒸発器５の上部へ運ぶことができる。この結果、冷媒の気化に用いた霜取りヒータ６の熱を無駄にすることがない。また、従来加熱することが困難であった蒸発器５上部を冷媒の凝縮潜熱で加熱することができる。

（実施の形態３）
図４（ａ）、図４（ｂ）は、本発明の実施の形態３における蒸発器５の各部断面図である。記載しない事項は、実施の形態１，２と同様である。実施の形態１，２との違いは、霜取りヒータ６と下部の水平配管１２ｂとの関係である。

図４（ａ）、図４（ｂ）において、図１および図２と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。記載しない部分は、実施の形態１、２と同様である。

蒸発器５はフィン１０＆チューブとからなる方式の上下方向に１０段、前後方向に３列の熱交換器で、フィン１０を簡略化して表記している。

図４（ａ）は前後方向に３列のフィン１０＆チューブ方式の蒸発器５の裏面からの断面図である。また、図４（ｂ）は、図４（ａ）のＸ−Ｘ断面図のうち、最下段の３つの管（３列）、前面の下部の水平配管１２ｂ１、内の下部の水平配管１２ｂ２、裏面の下部の水平配管１２ｂ３と、霜取りヒータ６とを拡大したものである。

霜取りヒータ６は垂直配管１１にもっとも近い前から３列目の裏面の下部の水平配管１２ｂ３の下部に配置され、また、戻り垂直配管１１に近いフィン１０と接触している。

＜効果＞
かかる構成によれば、垂直配管１１付近に溜まった液冷媒を、効率的に霜取りヒータ６の熱により冷媒の気化することができ、蒸発器５上部の昇温を促進することが出来る。

本構成によって、蒸発器下部にて霜取りヒータにより気化した冷媒が、蒸発器外部へ流出することなく、蒸発器上部へ運ばれ凝縮し、その凝縮潜熱で従来昇温することが困難であった蒸発器上部を昇温することができる。

（全体をとおして）
下部の水平配管１２ｂは、戻り垂直配管１１直前の水平配管１２ａに限定されない。蒸発器５の下部にある複数の水平配管１２ａを、下部の水平配管１２ｂとできる。

本発明の蒸発器の除霜方法は、冷凍サイクル内の冷媒を活用し、霜取りヒータの熱を無駄なく蒸発器上部に伝え蒸発器全体を昇温できる。このことで、除霜時の消費電力を削減する効果を有し、家庭用や業務用野の冷却装置だけでなく、様々な冷却機器の除霜にも適用できる。

１ 圧縮機
２ 凝縮器
３ ドライヤ
４ 減圧器
５ 蒸発器
６ 霜取りヒータ
７ 入口側流路の切換弁
７ａ 入口
８ 出口側流路の切換弁
８ａ 出口
８ｂ 出口
９ バイパス経路
１０ フィン
１１ 垂直配管
１１ａ 水平配管
１２ａ 水平配管
１２ｂ 下部の水平配管
１２ｂ１ 下部の水平配管
１２ｂ２ 下部の水平配管
１２ｂ３ 下部の水平配管
１０１ 圧縮機
１０２ 凝縮器
１０３ ドライヤ
１０５ 蒸発器
１０６ 霜取りヒータ
１０７ 流入防止弁

Claims (14)

1. 蒸発器出口を閉じる第１工程と、
   前記蒸発器入口を閉じる第２工程と、
   前記蒸発器出口と前記蒸発器入口とを連結する第３工程と、
   前記蒸発器を加熱する第４工程と、を含む蒸発器の除霜方法。
2. 前記第３工程では、前記蒸発器出口と前記蒸発器入口とを直接連結する請求項１記載の蒸発器の除霜方法。
3. 前記第１工程後、前記第２工程を行う請求項１または２記載の蒸発器の除霜方法。
4. 前記第１工程後、前記前記蒸発器の入口部分での配管内の圧力差が無くなってから、第２工程を行う請求項１から３のいずれか１項に記載の蒸発器の除霜方法。
5. 圧縮機と凝縮器とドライヤと減圧器と蒸発器とに冷媒を流す冷却サイクル工程と、
   前記第１工程と、前記第２工程と、前記第３工程と、前記第４工程と、を含む請求項１から４のいずれか１項に記載の蒸発器の除霜方法。
6. 冷媒の入口である入口部と、
   前記入口部に配置された切換弁と、
   前記冷媒の出口である出口部と、
   前記出口部に配置された切換弁と、
   前記入口部と前記出口部とを連結するバイパス経路と、
   前記入口部と連結する水平配管と、
   前記水平配管と前記出口部とを連結する垂直配管と、
   を含む、蒸発器。
7. 水平配管は、直線状の水平部分と湾曲形状の湾曲部とを含み、垂直方向に複数の前記水平部分が配置された請求項６記載の蒸発器。
8. 垂直配管は、垂直方向に直線状の配管である請求項６または７記載の蒸発器。
9. 前記垂直配管は、内部に微小溝形状を有する請求項６〜８のいずれか１項に記載の蒸発器。
10. 下部に位置する前記水平配管は、内部に微小溝形状を有する請求項６〜９のいずれか１項に記載の蒸発器。
11. 下部に位置する水平配管は、前記出口部の側が、前記入口部の側より上方に位置する請求項６〜１０のいずれか１項に記載の蒸発器。
12. 前記下部に位置する水平配管の下に加熱装置を配置した請求項６〜１１のいずれか１項に記載の蒸発器。
13. 前記出口部と前記入口部とは、前記蒸発器の上部に位置し、
    前記水平配管は、複数個あり、前記蒸発器の上部から下部へ連結され、
    前記垂直配管は、下部の前記水平配管と前記出口部とを連結する請求項６〜１２のいずれか１項に記載の蒸発器。
14. 冷媒を圧縮する圧縮機と、凝縮器と、減圧器と、請求項６〜１３のいずれか１項に記載の蒸発器と、前記蒸発器を加熱する加熱器と、を含む冷却装置。

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